Spitzenleistung bis 100 Megawatt Durchbruch bei der Entwicklung ultrakurzer Laserpulse

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An der ETH Zürich ist es Forschern gelungen, ultrakurze Laserpulse mit Spitzenleistungen von 100 Megawatt zu entwickeln. Erreicht wurde das durch eine optimierte Spiegelanordnung sowie einem Spiegel aus Halbleitermaterial.

An der ETH Zürich ist es gelungen, ultrakurze Laserpulse zu entwickeln, deren Impulse eine Spitzenleistung von 100 Megawatt (MW) und einer mittleren Leistung von 550 W erzeugen können. Damit können Materialien bearbeitet oder hohe harmonische Frequenzen bis hin zu Röntgenstrahlen erzeugt werden, mit denen man extrem schnelle Prozesse im Attosekundenbereich (Milliardstel einer Milliardstel Sekunde) sichtbar machen kann.

Die Forscher um Professorin Ursula Keller am Institut für Quantenelektronik haben mit der mittleren Laser-Leistung von 550 W den bisherigen Höchstwert um mehr als 50 Prozent und sind damit die stärksten, die je in einem Laser-Oszillator erzeugt wurden. Gleichzeitig sind sie mit weniger als einer Pikosekunde – also dem Millionsten Teil einer Millionstel Sekunde – extrem kurz und verlassen den Laser in regelmäßiger Abfolge mit einer hohen Rate von fünf Millionen Pulsen pro Sekunde.

Lasermaterial aus 100 µm dünnen Scheiben eines Kristalls

Kellers Forschungsgruppe arbeitet seit 25 Jahren an der stetigen Verbesserung so genannter kurzgepulster Scheibenlaser, in denen das Lasermaterial aus einer nur 100 Mikrometer dünnen Scheibe eines Kristalls besteht, der Ytterbium-Atome enthält. Immer wieder stießen Keller und ihre Kollegen dabei auf neue Probleme, die zunächst die weitere Erhöhung der Leistung verhinderten. Nicht selten kam es dabei zu spektakulären Zwischenfällen, bei denen unterschiedliche Teile innerhalb des Lasers zerstört wurden. Die Lösung der Probleme hat immer wieder zu neuen Erkenntnissen geführt, welche die auch in der Industrie beliebten kurzgepulsten Laser zuverlässiger gemacht haben.

„Die jetzt erreichte Kombination aus noch höherer Leistung mit Pulsraten von 5.5 Megahertz beruht auf zwei Neuerungen“, erklärt Moritz Seidel, Doktorand in Kellers Labor. Zum einen verwendeten er und seine Kollegen eine spezielle Anordnung von Spiegeln, die das Licht im Laser mehrmals durch die Scheibe leiten, bevor es den Laser durch einen Auskopplungs-Spiegel verlässt. „Diese Anordnung erlaubt es uns, das Licht extrem zu verstärken, ohne dass der Laser instabil wird“, sagt Seidel.

Spezieller Spiegel aus Halbleitermaterial

Die zweite Neuerung betrifft das Herzstück des gepulsten Lasers: ein spezieller Spiegel aus Halbleitermaterial, den Keller bereits vor dreißig Jahren erfand und der unter der eingängigen Abkürzung SESAM (Semiconductor Saturable Absorber Mirror) bekannt ist. Anders als bei normalen Spiegeln hängt bei einem SESAM der Reflexionsgrad davon ab, wie stark das Licht ist, das auf ihn trifft.

Mit dem SESAM bringen die Forscher ihren Laser dazu, anstelle eines kontinuierlichen Strahls kurze Pulse auszusenden. Pulse haben deshalb eine höhere Intensität, weil ihn ihnen die Lichtenergie in sehr kurzer Zeit konzentriert ist. Damit ein Laser überhaupt Laserlicht aussendet, muss die Lichtintensität in seinem Inneren einen bestimmten Schwellenwert überschreiten. Hier kommt der SESAM ins Spiel: Er wirft das Licht, das die verstärkende Scheibe mehrmals durchlaufen hat, besonders effizient zurück, wenn die Lichtintensität hoch ist. Dadurch geht der Laser automatisch in einen gepulsten Zustand über.

Einige knifflige technische Probleme waren zu lösen

„Pulse mit ähnlich hohen Leistungen wie den jetzt von uns erreichten konnte man bisher nur erzeugen, indem man schwächere Laserpulse durch mehrere separate Verstärker außerhalb des Lasers schickte“, sagt Seidel. Das hat aber den Nachteil, dass die Verstärkung auch zu stärkerem Rauschen führt, also einer Schwankung in der Leistung, die vor allem bei Präzisionsmessungen problematisch ist.

Um die hohe Leistung direkt mit dem Laser-Oszillator zu erzeugen, mussten die Forschenden einige knifflige technische Probleme lösen – zum Beispiel, wie sie auf die Halbleiterschicht des SESAM-Spiegels ein dünnes Fenster aus Saphir aufbringen, welches die Eigenschaften des Spiegels stark verbessert. „Als das endlich geklappt hat und wir beobachten konnten, wie der Laser Pulse erzeugte – das war schon cool“, freut sich Seidel. (heh)

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